薄膜物理与技术-7薄膜的物理性质--(1)薄膜的力学性质
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注 功函数：把一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所需的最少的能量。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
三种附着力： 范德华力、静电力、化学键力
物理吸附
①范德华力 短程力，当吸附原子间的距离略有增加，力迅速趋 向于0.
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
扩散附着
通过中间层附着
宏观效应附着
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
简单附着
7.1.1 薄膜的附着力
(a)简单附着： 是在薄膜和基体之间存在一个很清楚的分界面。由两个接
触面相互吸引形成的。当两个不相似或不相容的表面相互接 触时就易形成这种附着。(如真空蒸镀)
附着能 : Wfs = Ef + Es - Efs
解决方法：在薄膜基片间加入另外一种材料，形成中间过渡层。 如：玻璃片上镀金膜，先镀很薄的铬，铬从氧化物基片中夺取氧 形成氧化物，有较强的附着力；然后再镀金，金膜与铬形成金属 键，提高附着性。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
④沉积方式： 溅射强于蒸发，电压（溅射）高→附着好 ∵溅射粒子动能大，轰击表面清洗且使表面活化；又
有各种微孔或微裂缝时，在薄膜形成过程中，入射到基体表 面上的气相原子便进入到粗糙表面的各种缺陷、微孔或裂缝 中形成这种宏观机械锁合。如果基体表面上各种微缺陷分布 均匀适当，通过机械锁合作用可提高薄膜的附着性能。
双电层吸引(静电力)是由薄膜与基体间界面处形成双电层 而产生吸引。因薄膜和基体两种材料的功函数不同，两者间 发生电子转移在界面两边积累起电荷。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
薄膜附着的类型
薄膜的附着可分为四种类型： （a）简单附着 （b）扩散附着 （c）通过中间层附着 （d）宏观效应附着等。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质--7.1.1 薄膜的附着力
附着的四种类型示意图(图7-1)
简单附着
方法：在基片上镀一层薄金属层（Ti、Mo、Ta、 Cr等）.然后，在其上再镀需要的薄膜，薄 金属夺取基片中氧 中间层表面掺杂。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
(d) 通过宏观效应的附着： 包括机械锁合和双电层吸引。 机械锁合是一种宏观的机械作用。当基体表面比较粗糙，
(b)扩散附着： 是由于在薄膜和基体之间互相扩散或溶解形成一个渐变
的界面。
实现扩散方法： 基片加热法、离子注入法、离子轰击法、电场吸引法。 基片加热法：加温 离子轰击法：先在基片上淀积一层薄（20-30nm）金属膜， 再用高能（100KeV）氩离子对它进行轰击 实现扩散 再镀膜 电场吸引法：在基片背面镀上导体加电压 吸离子
②静电力—薄膜和基体两种材料的功函数不同， 接触后发生电子转移→界面两边积累Fra Baidu bibliotek负 电荷 → 静电吸引
物理吸附能：0.001eV~0.1eV
③化学键力（化学吸附能0.1-0.5eV）
共价键 离子键 金属键
价电子发生了转移， 短程力，不是普遍存在。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
须注意：T↑→薄膜晶粒大→热应力↑→其它性能变
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
③引入中间过渡层 某种材料与一些物质间附着力大，与另一些物质的附
着力却可能很小。如：
（1）二氧化硅-玻璃→附着好；二氧化硅-KDP（磷酸二氢 钾）晶体→附着差 （2）金-玻璃→附着差；金-铂、镍、钛、铬等→附着好
薄膜物理与技术
第七章 薄膜的物理性质
宋春元 材料科学与工程学院
第七章 薄膜的物理性质
概述
由于薄膜材料的不同，各种薄膜(如金属膜、 介质膜、半导体膜等)都有各自不同的性质。了解 薄膜的力学、电学、光学、热学及磁学性质， 对薄膜的应用有着十分重要的意义。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质 7.2 薄膜的电学性质 7.3 薄膜的光学性质 7.4 薄膜的磁学性质 7.5 薄膜的热学性质
Ef—薄膜的表面能; Es—基片的表面能; Efs—薄膜与基片之间的界面能
两个相似或相容的表面接触:
Efs↓
Wfs↑
两个完全不相似或不相容的表面接触
Efs↑
Wfs↓
简单物理附着------薄膜与基片间的结合力-------范德华力
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
溅射镀膜比蒸发镀膜附着牢，因为溅射粒子动能大 扩散。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
(c)通过中间层的附着：
在薄膜与基片之间形成一个化合物而 附着，该化合物多为薄 膜材料与基片材料之间的化 合物。由于薄膜和基体之间有 这样一个中间层， 所以两者之间形成的附着就没有单纯的 界面。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
薄膜的主要力学性能： 附着性质—由薄膜成长的初始阶段 内应力 机械性能
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
1．附着现象
附着问题是制备薄膜时遇到的第一个问题。因为制 备薄膜时首先考虑它是否能牢固地附着在基体上。
从宏观角度看，附着就是薄膜和基体表面相互作用 将薄膜粘附在基体上的一种现象。附着是与薄膜在基 体上存在的耐久性及耐磨性有直接关系的重要概念。 薄膜在基体上附着的牢固性因薄膜材料和基体材料的 不同而不同。
有利于原子向基片中扩散，→附着强
电镀膜的附着性能差(∵有一定数量的微孔）
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
附着力的测试方法 机械方法数种如下：
2.1.3 增加附着力的方法
①清洗基片 污染物导致薄膜与基片不能直接接触→范德华力大 大减弱→扩散更不可能→吸附性极差
解决方法：基片清洗→去掉污染层（吸附层使基片 表面的化学键饱和，从而薄膜的附着力差）→提高 附着性能。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
②提高基片温度 提高温度,有利于薄膜和基片之间原子的相互扩散 →扩散附着有利于加速化学反应形成中间层 →中间层附着
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
三种附着力： 范德华力、静电力、化学键力
物理吸附
①范德华力 短程力，当吸附原子间的距离略有增加，力迅速趋 向于0.
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
扩散附着
通过中间层附着
宏观效应附着
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
简单附着
7.1.1 薄膜的附着力
(a)简单附着： 是在薄膜和基体之间存在一个很清楚的分界面。由两个接
触面相互吸引形成的。当两个不相似或不相容的表面相互接 触时就易形成这种附着。(如真空蒸镀)
附着能 : Wfs = Ef + Es - Efs
解决方法：在薄膜基片间加入另外一种材料，形成中间过渡层。 如：玻璃片上镀金膜，先镀很薄的铬，铬从氧化物基片中夺取氧 形成氧化物，有较强的附着力；然后再镀金，金膜与铬形成金属 键，提高附着性。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
④沉积方式： 溅射强于蒸发，电压（溅射）高→附着好 ∵溅射粒子动能大，轰击表面清洗且使表面活化；又
有各种微孔或微裂缝时，在薄膜形成过程中，入射到基体表 面上的气相原子便进入到粗糙表面的各种缺陷、微孔或裂缝 中形成这种宏观机械锁合。如果基体表面上各种微缺陷分布 均匀适当，通过机械锁合作用可提高薄膜的附着性能。
双电层吸引(静电力)是由薄膜与基体间界面处形成双电层 而产生吸引。因薄膜和基体两种材料的功函数不同，两者间 发生电子转移在界面两边积累起电荷。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
薄膜附着的类型
薄膜的附着可分为四种类型： （a）简单附着 （b）扩散附着 （c）通过中间层附着 （d）宏观效应附着等。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质--7.1.1 薄膜的附着力
附着的四种类型示意图(图7-1)
简单附着
方法：在基片上镀一层薄金属层（Ti、Mo、Ta、 Cr等）.然后，在其上再镀需要的薄膜，薄 金属夺取基片中氧 中间层表面掺杂。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
(d) 通过宏观效应的附着： 包括机械锁合和双电层吸引。 机械锁合是一种宏观的机械作用。当基体表面比较粗糙，
(b)扩散附着： 是由于在薄膜和基体之间互相扩散或溶解形成一个渐变
的界面。
实现扩散方法： 基片加热法、离子注入法、离子轰击法、电场吸引法。 基片加热法：加温 离子轰击法：先在基片上淀积一层薄（20-30nm）金属膜， 再用高能（100KeV）氩离子对它进行轰击 实现扩散 再镀膜 电场吸引法：在基片背面镀上导体加电压 吸离子
②静电力—薄膜和基体两种材料的功函数不同， 接触后发生电子转移→界面两边积累Fra Baidu bibliotek负 电荷 → 静电吸引
物理吸附能：0.001eV~0.1eV
③化学键力（化学吸附能0.1-0.5eV）
共价键 离子键 金属键
价电子发生了转移， 短程力，不是普遍存在。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
须注意：T↑→薄膜晶粒大→热应力↑→其它性能变
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
③引入中间过渡层 某种材料与一些物质间附着力大，与另一些物质的附
着力却可能很小。如：
（1）二氧化硅-玻璃→附着好；二氧化硅-KDP（磷酸二氢 钾）晶体→附着差 （2）金-玻璃→附着差；金-铂、镍、钛、铬等→附着好
薄膜物理与技术
第七章 薄膜的物理性质
宋春元 材料科学与工程学院
第七章 薄膜的物理性质
概述
由于薄膜材料的不同，各种薄膜(如金属膜、 介质膜、半导体膜等)都有各自不同的性质。了解 薄膜的力学、电学、光学、热学及磁学性质， 对薄膜的应用有着十分重要的意义。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质 7.2 薄膜的电学性质 7.3 薄膜的光学性质 7.4 薄膜的磁学性质 7.5 薄膜的热学性质
Ef—薄膜的表面能; Es—基片的表面能; Efs—薄膜与基片之间的界面能
两个相似或相容的表面接触:
Efs↓
Wfs↑
两个完全不相似或不相容的表面接触
Efs↑
Wfs↓
简单物理附着------薄膜与基片间的结合力-------范德华力
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
溅射镀膜比蒸发镀膜附着牢，因为溅射粒子动能大 扩散。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
(c)通过中间层的附着：
在薄膜与基片之间形成一个化合物而 附着，该化合物多为薄 膜材料与基片材料之间的化 合物。由于薄膜和基体之间有 这样一个中间层， 所以两者之间形成的附着就没有单纯的 界面。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
薄膜的主要力学性能： 附着性质—由薄膜成长的初始阶段 内应力 机械性能
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
1．附着现象
附着问题是制备薄膜时遇到的第一个问题。因为制 备薄膜时首先考虑它是否能牢固地附着在基体上。
从宏观角度看，附着就是薄膜和基体表面相互作用 将薄膜粘附在基体上的一种现象。附着是与薄膜在基 体上存在的耐久性及耐磨性有直接关系的重要概念。 薄膜在基体上附着的牢固性因薄膜材料和基体材料的 不同而不同。
有利于原子向基片中扩散，→附着强
电镀膜的附着性能差(∵有一定数量的微孔）
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
附着力的测试方法 机械方法数种如下：
2.1.3 增加附着力的方法
①清洗基片 污染物导致薄膜与基片不能直接接触→范德华力大 大减弱→扩散更不可能→吸附性极差
解决方法：基片清洗→去掉污染层（吸附层使基片 表面的化学键饱和，从而薄膜的附着力差）→提高 附着性能。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
②提高基片温度 提高温度,有利于薄膜和基片之间原子的相互扩散 →扩散附着有利于加速化学反应形成中间层 →中间层附着